专利名称：用以产生一感测信号的温度感测装置及其方法
技术领域：
本发明有关于一种温度感测装置及方法，尤指一种用以产生一感测信号以指示温度是否高于或低于一第一临界值的温度感测装置及其相关方法。
背景技术：
一般来说，为了能实作出具有若干所需特性的电子系统，通常会将多个独立的元件加以组合，其中这些元件可以是半导体元件或其它相类似的元件，且每一个元件都具有电子系统所需的一个特定功能，然而，实务上却常出现以下的情况即使将这些独立的元件全部组合在一起，在某些条件下亦无法提供所需的功能。
举例而言，有些元件会造成许多的问题，例如在室温下可以执行预期功能的某些元件在过低或过高温度下可能会失去原本预期的特性。在现有作法中，当此问题产生时，会寻找不同的半导体元件来取代，或者将产生问题的元件所属的功能单元(function block)做适当调整以避开上述问题，而当上述问题无法解决时，则会采用限制电子系统的使用范围的折衷作法。很显然地，此折衷作法并未实际地将上述问题彻底解决。
请参阅图1，其显示现有温度补偿电路100的电路示意图，其中NPN型双极性接面晶体管120为温度补偿电路100的主要元件，如图所示，双极性接面晶体管120的基极连接至一可变直流电压源(variable dc voltage source)110，且可变直流电压源110的电压值可以调整为能提供一适当电压VB1，又，双极性接面晶体管120的集极连接至电压源Vc，而射极经由电阻Rc耦接至接地。在温度补偿电路100中，电压VB1经由两条不同路径来提供输出端点Vo所需的电压，其中第一条路径经由电阻Ra，而第二条路径经由双极性接面晶体管120的射极及电阻Rb。
在此例中，双极性接面晶体管120的基极-射极接面(base-emitter junction，BE junction)之间的电压差VBE1为此“二极管”的顺向电压(forward voltage)，且该“二极管”具有大约为-1.5mV/K的负温度系数(negative temperaturecoefficient)；另一方面，经由上述第二条路径而供应至输出端点Vo的电压为双极性接面晶体管120的基极至射极电压(base-emitter voltage)VBE1与电阻Rb的跨压的总和，其中基极至射极电压VBE1及电阻Rb的跨压分别受基极-射极接面及电阻Rb的温度特性所影响，并且，输出端点Vo的电压由以下关系式来决定 由上可知基极至射极电压VBE1具有一负系数-Ra/(Ra+Rb)，当Ra及Rb的电阻值在所有温度下均固定时，负系数为定值，而当Ra及Rb的电阻值产生变化时，输出端点Vo的电压亦会随的改变；藉由此一原理，可以产生具有适当温度特性的输出电压Vo，而此适当温度特性即可用来对电子系统进行补偿，以图1而言，假设电压VB1不随温度而改变，输出电压Vo会具有一正温度系数。
根据关系式(1)可以轻易得知，输出端点的输出电压Vo会随着温度变化而不断改变，然而，虽然输出电压Vo具有与温度相关的特性，仍无法直接得知当时温度是否高于或低于一临界温度值。
发明内容
因此，本发明的目的之一在于提供一种用以产生感测信号的温度感测装置及其相关方法，以解决上述问题。
根据本发明的一实施例，其揭露一种用以产生一感测信号以指示温度是否高于或低于第一临界值的温度感测装置。该温度感测装置包括双极性接面晶体管，具有基极、射极及集极，其中基极接收第一定电压，射极接收第二定电压，集极连接至节点，第二定电压不随温度而改变，且该第一定电压高于该第二定电压；以及电阻，耦接于节点与供应电压之间。第一临界值对应于第一定电压与第二定电压间的一差值，节点处输出的信号用以产生感测信号，当感测信号低于第二临界值时，感测信号指示温度高于第一临界值，而当感测信号高于第二临界值时，感测信号指示温度低于第一临界值。
根据本发明的另一实施例，其揭露一种用以产生感测信号以指示温度是否高于或低于第一临界值的温度感测装置。该温度感测装置包括双极性接面晶体管，具有基极、射极及集极，其中基极接收第一定电压，射极接收第二定电压，集极连接至节点，第二定电压不随温度而改变，且第二定电压高于第一定电压；以及电阻，耦接于节点与接地电压之间。第一临界值对应于第一定电压与第二定电压间的差值，节点处输出的信号用以产生感测信号，当感测信号高于第二临界值时，感测信号指示温度高于第一临界值，而当感测信号低于第二临界值时，感测信号指示温度低于第一临界值。
根据本发明的又一实施例，其揭露一种用以产生感测信号以指示温度是否高于或低于第一临界值的方法。该方法包括提供双极性接面晶体管，双极性接面晶体管具有基极、射极及集极，其中基极接收第一定电压，射极接收第二定电压，集极连接至节点，第二定电压不随温度而改变，且第一定电压高于第二定电压；以及提供电阻，电阻耦接于节点与供应电压之间。第一临界值对应于第一定电压与第二定电压间的差值，于节点处输出的信号用以产生感测信号，当感测信号低于第二临界值时，感测信号指示温度高于第一临界值，而当感测信号高于第二临界值时，感测信号指示温度低于第一临界值。
根据本发明的再一实施例，其揭露一种用以产生感测信号以指示温度是否高于或低于第一临界值的方法。该方法包括提供双极性接面晶体管，双极性接面晶体管具有基极、射极及集极，其中基极接收第一定电压，射极接收第二定电压，集极连接至节点，第二定电压不随温度而改变，且第二定电压高于第一定电压；以及提供电阻，电阻耦接于节点与接地电压之间。第一临界值对应于第一定电压与第二定电压间的差值，于节点处输出的信号用以产生感测信号，当感测信号高于第二临界值时，感测信号指示温度高于第一临界值，而当感测信号低于第二临界值时，感测信号指示温度低于第一临界值。
藉由实施本发明提供的温度感测装置及其相关方法，可有效解决现有技术中无法直接反应温度变化的缺陷。
图1显示现有温度补偿电路的电路示意图。
图2显示本发明第一实施例的温度感测装置的电路示意图。
图3显示双极性接面晶体管的基极-射极导通电压VBE(on)与温度(℃)的关系示意图。
图4显示图2的缓冲储存器的内部电路示意图。
图5显示本发明第二实施例的温度感测装置的电路示意图。
图6显示本发明第三实施例的温度感测装置的电路示意图。
图7显示图6的定电流源的电路示意图。
附图标号 100温度补偿电路 110可变直流电压源 120、220、250、510 双极性接面晶体管 200、500、600 温度感测装置 210能带间隙参考电压产生器 230、240 金氧半场效晶体管 260缓冲储存器 270定电流源
具体实施例方式 请参阅图2，其显示本发明第一实施例的温度感测装置200的电路示意图。如图所示，温度感测装置200包括一能带间隙(bandgap)参考电压产生器210，用来提供不随温度而改变的电压VBG；又，对温度及供应电压均具有低敏感度(low sensitivity)的能带间隙参考电压产生器210在模拟或数字电路中属常见，一般而言，若要实现能带间隙参考电压产生器210具有许多种不同的作法，其中最常采用的作法将双极性接面晶体管的基极-射极接面(base-emitter junction，BE junction)作为能带间隙参考电压产生器210的核心元件。请注意，由于实现能带间隙参考电压产生器210的作法为本案所属技术领域中熟习此技艺者所熟知，因此有关于能带间隙参考电压产生器210的细节在此不予赘述。
如图2所示，不随温度而改变的电压VBG供应至双极性接面晶体管220的基极，并且双极性接面晶体管220的基极-射极导通电压(base-to-emitter turnon voltage)VBE1可由以下关系式来表示 其中k代表波兹曼常数(Boltzmann′s constant)，而T代表使用克氏温标(Kelvin scale)的绝对温度，又，由于此一关系式为业界所熟知，因此在此亦不予赘述。根据上述关系式(2)，双极性接面晶体管220的射极上的节点电压VE1可以推导如下 并且，电流I1可以表示为 又，由于金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effecttransistor，MOSFET)230及240共同形成一电流镜(current mirror)而将电流I1镜射(mirror)为电流I2，因此电流I2可以表示为 I2＝n×I1 (5) 其中n实质上代表金氧半场效晶体管240的通道宽长比(aspect ratio)与金氧半场效晶体管230的通道宽长比之间的比值，因此，电压VB2可以推导如下 请注意，经由适当选择电阻R1及R2的电阻值以及电流镜的电流放大倍数(亦即上述的比值n)，可以决定出一个适当的电压VB2。
又，由于电压VBG不随温度而改变，因此可以将电压VB2对温度进行一次微分，如下所示 再者，若将上述变量以常用数值带入，可以得到一近似关系式如下 如上所述，电压VBG不随温度而改变，然而，由于双极性接面晶体管220具有与温度相关的特性，因此电压VE1亦会具有温度相依性(temperature-dependent)，如此一来，电流I1、电流I2及电压VB2均会具有温度相依性，如关系式(8)所示。
如图2所示，双极性接面晶体管250的基极接收电压VB2，而双极性接面晶体管250的射极连接至一接地电压，且此接地电压的电位低于基极电压VB2的电位；又，双极性接面晶体管250的集极耦接至一节点NC，而此节点NC更经由一电阻R3而耦接至一供应电压VC。此外，节点NC所输出的信号可以作为一感测信号，用来指示当时温度是否高于或低于一临界值，更精确而言，亦即一临界温度值。
如业界所熟知，双极性接面晶体管的基极-射极接面导通电压具有大约为-1.5mV/K的负温度系数，且可以被表示为 根据上述的原理，不管基极电压VB是否如关系式(8)所示具有温度相依性或者基极电压VB不随温度而改变，双极性接面晶体管250均可以作为一个温度感测装置，更进一步而言，双极性接面晶体管250可以用来指示目前温度是否高于或低于一临界值，其中此临界值经由于基极-射极接面之间设定一固定的电压差而加以定义；又，在此实施例中假设双极性接面晶体管250在温度20℃时的导通电压VBE(on)为0.65V，且基极电压VB2与射极电压VE2之间的电压差被设定为一默认值0.62V；另外，根据关系式(9)所绘示的导通电压VBE(on)与温度(℃)的关系图如图3所示，即双极性接面晶体管的基极-射极导通电压VBE(on)与温度(℃)的关系示意图。其中基极-射极导通电压VBE(on)随着温度上升而下降，且在温度20℃、40℃及60℃时的导通电压VBE(on)分别是0.65V、0.62V及0.59V。
请注意，对于双极性接面晶体管250而言，在温度升到40℃之前，基极-射极导通电压VBE(on)仍然大于基极-射极接面电压VBE2(0.62V)。更进一步而言，由于基极-射极接面电压VBE2被设定为0.62V，因此当温度低于40℃时，基极-射极接面电压VBE2低于基极-射极导通电压VBE(on)，如此一来，双极性接面晶体管250处于截止(off)状态，进而使得节点NC处于一相对高的电位。一般来说，此相对高的电位较接近供应电压VC而非接地电压，换句话说，可以将节点NC所输出的一个具有高于另一临界值(例如临界电压值VC/2)的电位的信号当作一感测信号，用来指示当时温度低于临界值40℃；另一方面，当温度高于临界值40℃时，基极-射极导通电压VBE(on)会低于预设的基极-射极接面电压VBE2(0.62V)，因此双极性接面晶体管250会导通(turn on)，进而使得节点NC处于一相对低的电位。一般来说，此相对低的电位较接近接地电压而非供应电压VC，换句话说，可以将节点NC所输出的一个具有低于临界电压值VC/2的电位的信号当作一感测信号，用来指示当时温度高于该临界值40℃。
因此，根据上述作法，可以采用双极性接面晶体管来实现一温度感测装置，其中双极性接面晶体管的基极-射极接面电压为一不随温度而改变的默认值。
再者，由于温度感测装置常会应用于电子装置中，例如电压控制振荡器(voltage controlled oscillator，VCO)，因此节点NC的初始电位需要进行调整，以便于产生更明确的信号，进而能清楚指示出温度范围。请参阅图2，缓冲储存器260选择性地(optionally)耦接至节点NC，用来进一步对节点NC的电位进行处理，在此实施例中，如图4所示，图4显示图2的缓冲储存器的内部电路示意图，缓冲储存器260由两个串联的反相器(inverter)所组成。因此，当节点NC的电位处于相对低的电位时，由两个反相器所组成的缓冲储存器260会将此一相对低的电位转变为一绝对低电位(例如0V)。另一方面，当节点NC的电位处于相对高的电位时，缓冲储存器260会将此一相对高的电位转变为一绝对高电位(例如供应电压VC)。更进一步而言，当温度低于临界温度值时，缓冲储存器260会输出电压值为VC的信号；而当温度高于临界温度值时，缓冲储存器260则会输出电压值为0V的信号，如此一来，输出端点Ot便可以产生数字型态的信号，亦即具有两个状态(电压值为0V或VC)的双态信号(two-state signal)，并且，此数字型态的信号亦作为一感测信号，用来指示当时温度是否高于或低于临界温度值(临界温度值的设定方法如前所述)。
由上可知，加上缓冲储存器260之后，温度感测装置200在实际应用时将更能胜任不同的需求。请注意，由两个反相器所组成的缓冲储存器260仅为本发明的一个范例，并非用以作为本发明的限制条件，在其它可能实施例中，亦可以使用单一反相器来作为缓冲储存器260，或者将任意数量的反相器串联而组成缓冲储存器260。更进一步而言，若将奇数个(odd number)反相器串联而组成缓冲储存器260，则缓冲储存器260会于温度低于临界温度值时输出电压值为0V的信号，而于温度高于临界温度值时输出电压值为VC的信号。
在上述本发明的第一实施例中，双极性接面晶体管250为NPN型，然而，在本发明的其它可能实施例中，双极性接面晶体管250亦可以由PNP型的双极性接面晶体管来取代。
请参阅图5，其显示本发明第二实施例的温度感测装置500的电路示意图，其中温度感测装置500的电路架构与温度感测装置200的电路架构几乎相同，而主要差异处在于NPN型的双极性接面晶体管250已由PNP型的双极性接面晶体管510所取代，并且与NPN型的双极性接面晶体管250有关的供应电压VC、接地电压及电阻R3之间的相对位置亦随之调整而形成新的电路。如图5所示，PNP型的双极性接面晶体管510的基极亦接收一固定电压(亦即基极电压VB3)，此固定电压根据能带间隙参考电压产生器210所产生的电压VBG而决定；又，双极性接面晶体管510的射极连接至一供应电压VC，且此供应电压VC的电位高于基极电压VB3的电位；再者，双极性接面晶体管510的集极连接至一节点NC，而此节点NC更经由一电阻R4而耦接至一接地电压；另外，由于基极电压VB3为一定值，因此尽管双极性接面晶体管510具有温度相依性，双极性接面晶体管510的基极-射极接面之间的电压差VEB3仍然为一定值。使用者可以经由设定电压差VEB3而定义出临界温度值。因此，当温度低于临界温度值时，双极性接面晶体管510处于截止状态，进而使得节点NC所输出的信号具有一相对低的电位，而当温度高于临界温度值时，双极性接面晶体管510则会导通，进而使得节点NC所输出的信号具有一相对高的电位。
类似于图2所示的温度感测装置200，温度感测装置500亦可以选择性地(optionally)包括一缓冲储存器260，用来将节点NC所输出的信号数字化(digitize)为具有绝对电位的输出信号以作为一感测信号。
请参阅图6，其显示本发明第三实施例的温度感测装置600的电路示意图，其中温度感测装置600的电路架构与上述温度感测装置200的电路架构部分相同。如图6所示，温度感测装置600包括一不随温度而改变的定电流源270，且此定电流源270的电路架构如图7所示。其中双极性接面晶体管220的基极耦接至能带间隙参考电压产生器210内的晶体管Q4的基极，而非如上述实施例般地耦接至用来输出电压VBG的输出节点。
又，在本发明的其它可能实施例中，温度感测装置更可以包括一闩锁装置(latching device)，耦接至节点NC，用来闩锁节点NC所输出的信号以产生一感测信号。
本发明采用一双极性接面晶体管来作为温度感测装置的核心元件，而此温度感测装置输出至少一感测信号，用来指示当时温度是否高于或低于一临界值，且此临界值经由设定双极性接面晶体管的基极-射极接面之间的电压差来加以对应地定义出来，而此电压差具有温度相依性；另外，本发明更采用一缓冲储存器来将一感测信号数字化为另一感测信号，如此一来，另一感测信号便能具有明确的电压准位。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种用以产生一感测信号的温度感测装置，所述的感测信号用以指示一温度是否高于或低于一第一临界值，所述的温度感测装置包括
一双极性接面晶体管，具有一基极、一射极及一集极，其中所述的基极接收一第一定电压，所述的射极接收一第二定电压，所述的集极连接至一节点，所述的第二定电压不随温度而改变，且所述的第一定电压高于所述的第二定电压；以及
一电阻，耦接于所述的节点与一供应电压之间；
其中所述的第一临界值对应于所述的第一定电压与所述的第二定电压间的一差值；所述的节点处的一输出信号用以产生所述的感测信号；当所述的感测信号低于一第二临界值时，所述的感测信号指示所述的温度高于所述的第一临界值；以及当所述的感测信号高于所述的第二临界值时，所述的感测信号指示所述的温度低于所述的第一临界值。
2.如权利要求1所述的温度感测装置，其特征在于，所述的双极性接面晶体管为NPN型。
3.如权利要求1所述的温度感测装置，其特征在于，所述的第二定电压为一接地电压。
4.如权利要求1所述的温度感测装置，还包括
一缓冲储存器，耦接至所述的节点，用以产生一双态信号以作为所述的感测信号，其中所述的双态信号具有一第一状态及一第二状态，所述的第一状态用以指示所述的温度高于所述的第一临界值，且所述的第二状态用以指示所述的温度低于所述的第一临界值。
5.如权利要求4所述的温度感测装置，其特征在于，所述的缓冲储存器具有至少一反相器。
6.如权利要求1所述的温度感测装置，还包括
一闩锁装置，耦接至所述的节点，用以闩锁所述的节点处的所述的输出信号以产生所述的感测信号。
7.一种用以产生一感测信号的温度感测装置，所述的感测信号用以指示一温度是否高于或低于一第一临界值，所述的温度感测装置包括
一双极性接面晶体管，具有一基极、一射极以及一集极，其中所述的基极接收一第一定电压，所述的射极接收一第二定电压，所述的集极连接至一节点，所述的第二定电压不随温度而改变，且所述的第二定电压高于所述的第一定电压；以及
一电阻，耦接于所述的节点与一接地电压之间；
其中所述的第一临界值对应于所述的第一定电压与所述的第二定电压间的一差值；所述的节点处的一输出信号用以产生所述的感测信号；当所述的感测信号高于一第二临界值时，所述的感测信号指示所述的温度高于所述的第一临界值；以及当所述的感测信号低于所述的第二临界值时，所述的感测信号指示所述的温度低于所述的第一临界值。
8.如权利要求7所述的温度感测装置，其特征在于，所述的双极性接面晶体管为PNP型。
9.如权利要求7所述的温度感测装置，其特征在于，所述的第二定电压为一定值供应电压。
10.如权利要求7所述的温度感测装置，还包括
一缓冲储存器，耦接至所述的节点，用以产生一双态信号以作为所述的感测信号，其中所述的双态信号具有一第一状态及一第二状态，所述的第一状态用以指示所述的温度高于所述的第一临界值，且所述的第二状态用以指示所述的温度低于所述的第一临界值。
11.如权利要求10所述的温度感测装置，其特征在于，所述的缓冲储存器具有至少一反相器。
12.如权利要求7所述的温度感测装置，还包括
一闩锁装置，耦接至所述的节点，用以闩锁所述的节点处的所述的输出信号以产生所述的感测信号。
13.一种用以产生一感测信号的方法，所述的感测信号用以指示一温度是否高于或低于一第一临界值，所述的方法包括
提供一双极性接面晶体管，所述的双极性接面晶体管具有一基极、一射极及一集极，其中所述的基极接收一第一定电压，所述的射极接收一第二定电压，所述的集极连接至一节点，所述的第二定电压不随温度而改变，且所述的第一定电压高于所述的第二定电压；以及
提供一电阻，所述的电阻耦接于所述的节点与一供应电压之间；
其中所述的第一临界值对应于所述的第一定电压与所述的第二定电压间的一差值；所述的节点处的一输出信号用以产生所述的感测信号；当所述的感测信号低于一第二临界值时，所述的感测信号指示所述的温度高于所述的第一临界值；以及当所述的感测信号高于所述的第二临界值时，所述的感测信号指示所述的温度低于所述的第一临界值。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述的双极性接面晶体管为NPN型。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述的第二定电压为一接地电压。
16.如权利要求13所述的方法，还包括
产生一双态信号以作为所述的感测信号，所述的双态信号具有一第一状态及一第二状态，所述的第一状态用以指示所述的温度高于所述的第一临界值，且所述的第二状态用以指示所述的温度低于所述的第一临界值。
17.如权利要求13所述的方法，还包括
提供一闩锁装置，所述的闩锁装置耦接至所述的节点，用以闩锁所述的节点处的所述的输出信号以产生所述的感测信号。
18.一种用以产生一感测信号的方法，所述的感测信号用以指示一温度是否高于或低于一第一临界值，所述的方法包括
提供一双极性接面晶体管，所述的双极性接面晶体管具有一基极、一射极及一集极，其中所述的基极接收一第一定电压，所述的射极接收一第二定电压，所述的集极连接至一节点，所述的第二定电压不随温度而改变，且所述的第二定电压高于所述的第一定电压；以及
提供一电阻，所述的电阻耦接于所述的节点与一接地电压之间；
其中所述的第一临界值对应于所述的第一定电压与所述的第二定电压间的一差值；所述的节点处的一输出信号用以产生所述的感测信号；当所述的感测信号高于一第二临界值时，所述的感测信号指示所述的温度高于所述的第一临界值；以及当所述的感测信号低于所述的第二临界值时，所述的感测信号指示所述的温度低于所述的第一临界值。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述的双极性接面晶体管为PNP型。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述的第二定电压为一固定值的供应电压。
21.如权利要求18所述的方法，还包括
产生一双态信号以作为所述的感测信号，所述的双态信号具有一第一状态及一第二状态，所述的第一状态用以指示所述的温度高于所述的第一临界值，且所述的第二状态用以指示所述的温度低于所述的第一临界值。
22.如权利要求18所述的方法，还包括
提供一闩锁装置，所述的闩锁装置耦接至所述的节点，用以闩锁所述的节点处的所述的输出信号以产生所述的感测信号。
全文摘要
本发明揭露一种产生一感测信号以指示温度是否高于或低于一第一临界值的温度感测装置及其相关方法。该温度感测装置包括一双极性接面晶体管，具有一基极、一射极及一集极，其中基极接收一第一定电压，射极接收一第二定电压，且集极连接至一节点；以及一电阻，耦接于节点与一供应电压之间。第一临界值对应于第一定电压与第二定电压间的差值，于节点处的一输出信号以产生感测信号，当感测信号低于一第二临界值时，感测信号指示温度高于第一临界值，而当感测信号高于第二临界值时，感测信号指示温度低于第一临界值。
文档编号G01K7/16GK101105414SQ20071013622
公开日2008年1月16日 申请日期2007年7月11日 优先权日2006年7月11日
发明者邱继崑, 唐志淳 申请人:联发科技股份有限公司